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Brennstoffelement
Es sind bereits elektrochemische Brennstoffzellen bekannt, welche die aus der Oxydation von Brennstoffen gewinnbare chemische Energie direkt in elektrische Energie umsetzen und als Elektrolyt zwischen Brennstoff- und Sauerstoffelektrode hydratisierte Ionenaustauschermembranen besitzen. Beispielsweise beschreibt die brit. Patentschrift Nr. 794, 471 eine derartige Brennstoffzelle. Die bisher bekannten Brennstoffzellen verwendeten entweder Kationen- oder Anionenaustauschermembranen.
Eine mit H+-Ionen beladene und nur "Ionen leitende Kationenaustauschermembran hat sauren Charakter. Schematisiert und der Anschaulichkeit halber vereinfacht läuft in einem solchen, durch einen Verbraucher elektrischer Energie belasteten Element der Stoffumsatz im Falle der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff wie folgt ab :
Brennstoffelektrode :
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Sauerstoffelektrode :
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Im Falle der Verwendung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, wie beispielsweise von Ameisensäure oder von Methylalkohol als Brennstoff, ändern sich lediglich die der eigentlichen elektrochemischen Reaktion H ---- > H + e'vorgelagerten Reaktionen :
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Der Vorteil dieser Zelle ist darin zu sehen, dass wegen des sauren Charakters der Membran das bei der Verwendung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe freiwerdende Kohlendioxyd gasförmig entweicht. Ihr Nachteil liegt jedoch im schlechten Arbeiten der Sauerstoffelektrode in Elektrolyten mit saurem Charakter und der Ansammlung von Wasser auf der Sauerstoffelektrode.
Eine mit OH--Ionen beladene und nur OH--Ionen leitende Anionenaustauschermembran hat alkalischen Charakter. Schematisiert und der Anschaulichkeit halber vereinfacht läuft in einem solchen, durch einen Verbraucher elektrischer Energie belasteten Element der Stoffumsatz im Falle der Verwendung von
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Wasserstoff als Brennstoff wie folgt abs
Brennstoffelektrode :
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Sauerstoffelektrode-
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Der Vorteil einer solchen Zelle ist darin zu sehen, dass die Sauerstoffelektrode in dem ihr genehmen alkalischen Milieu arbeiten kann. Der Nachteil liegt jedoch in der Wasseransammlung auf der Brennstoff- elektrode.
Bei der Verwendung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe dagegen wird das entstehende Kohlendioxyd durch die OH'-Ionen zum Carbonat neutralisiert, wodurch die elektrolytische Leitfähigkeit der Membran erheblich verschlechtert wird, was meistens ein Unbrauchbarwerden des Elementes zur Folge hat.
Das Ziel der Erfindung war eine elektrochemische Brennstoffzelle, die die erwähnten Nachteile beider Brennstoffzellenarten nicht mehr besitzt und die Vorteile im wesentlichen behält.
Es wurde nun ein Brennstoffelement zur elektrochemischen Nutzung von Wasserstoff und/oder dampfoder gasförmigen und/oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit einer Membran aus hydratisierten Ionenaustauschern als Elektrolyt gefunden, bei dem diese Ionenaustauschermembran aus einer Kombination zweier verschiedener fest aufeinanderliegender Membranen besteht, u. zw. aus einer der Brennstoffelektrode anliegenden, mit Wasserstoffionen beladenen Kationen-Austauschermembran und einer der Sauerstoffelektrode anliegenden, mit Hydroxylionen beladenen Anionen-Austauschermembran.
An der Berührungsfläche der beiden Membranen findet bei einer nicht in Betrieb befindlichen Zelle bis zu einem gewissen Grade eine Neutralisation H+ + OH-#H2O start,was der Membran- kombination eine"Antipolarität"verleiht.
Fahrt man der Anode Brennstoff und der Kathode Sauerstoff zu und gibt man den Elektronen Gelegenheit. unter dem Einfluss der entstandenen Potentialdifferenz über einen äusseren Schliessungsdraht unter Arbeitsleistung von der negativenBrennstoffelektrode zur positiven Sauerstoffelektrode zu fliessen, so sind die in der Zelle (wieder stark vereinfacht) ablaufenden Reaktionen im Falle der Verwendung von Wasserstoff : Brennstoffelektrode :
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Neutralisationsreaktion 2 H+ + 2 OH- > 2 Hp zwischen den Membranen: 2n + 2OH #2H2 Sauerstoffelektrode-.
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Bei Verwendung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, z. B. von Ameisensäure, ändern sich wieder nurdie der eigentlichen elektrochemischen Brennstoffelektroden-Reaktion H ------ H+ + e- vorgelagerten Reaktionen.
Die bei Lieferung. elektrischer Energie von der Brennstoffelektrode (Anode) produzierten H+ -Ionen vereinigen sich an der Berührungsfläche der beiden Ionenaustauschermembranen mit den von der Sauerstoffelektrode (Kathode) produzierten OH-Ionen zu Wasser, das sich nun nicht mehr auf einer der beiden Elektroden sammelt, sondern aus der Berührungsfläche der Membranen heraustropft. Die Membranen sind aus diesem Grunde zweckmässig vertikal anzuordnen.
Da die H+-Ionen in der K-Membran und die
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OH- -Ionen in der A-Membran nur mit endlicher Geschwindigkeit wandern, haben die Berührungsflächen Brennstoffkatalysator/K-Membran schwach sauren und Sauerstoffkatalysator/A-Membran schwach alkali- schen Charakter, was einerseits die Kohlendioxydabgabe der Brennstoffelektrode bei Verwendung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe und anderseits das gute Arbeiten der Sauerstoffelektrode bewirkt.
Damit ist gegenüber den herkömmlichen elektrochemischen Brennstoffzellen mit einer einzigen Ionenaustauschermembran ein wesentlicher technischer Fortschritt erzielt.
Als Ionenaustauschermembranen sind alle Membranen geeignet, die hinreichend hohe H+- bzw.
OH'-Kapazitäten und Leitfähigkeiten besitzen. Für die Elektroden werden für den gleichen Zweck bereits bekannte Katalysatormaterialien verwendet. Die Brennstoffelektrode enthält als katalytisch wirksamen Bestandteil vorzugsweise Platin und/oder Palladium, die sowohl in kompakter, aber poröser Form als auch in feinstverteilter Form auf hochporöser, pulveriger oder kömiger Kohle aufgebracht, verwendet werden können. Die Sauerstoffelektrode enthält als katalytisch wirksamen Bestandteil vorzugsweise Silber und/oder Platin, die ebenfalls entweder in kompakter, aber poröser Form oder in feinstverteilter Form auf hochporöser, pulveriger oder kömiger Aktivkohle aufgebracht, verwendet werden können.
Auch die Verwendung von geeigneter Aktivkohle, die gegebenenfalls mit Braunstein und/oder Cerdioxyd katalytisch verstärkt sein kann, ist suf der Sauerstoffseite möglich. Bestehen die Elektrodensubstanzen aus kömigen oder pulverförmigen, elektrisch leitenden Katalysatorschüttungen, so grenzen sie direkt an die zugehörige Ionenaustauschermembran und werden auf der der Membran abgewendeten Seite durch je ein elektrisch leitendes Sieb, Netz oder eine Fritte zusammengehalten. Eine derartige Ausbildung der Elek- troden für Brennstoffelemente, die als Elektrolyt eine Kationen- oder eine Anionen-Austauschermembran enthalten,'wurde bereits vorgeschlagen (belgische Patentschrift Nr. 591948).
In den Zeichnungen ist die Erfindung näher erläutert.
Fig. l bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit Kationenaustauschermembran ; diese Figur veranschaulicht den Verlauf des Stoffumsatzes bei Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff. In Fig. 2 ist dieser Vorgang für die Verwendung von Ameisensäure und in Fig. 3 für Methylalkohol als Brennstoff dargestellt. Fig. 4 betrifft eine Brennstoffzelle mit Anionenaustauschermembran sie veranschaulicht den Ablauf des Stoffumsatzes bei Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff. Fig. 5 bezieht sich auf ein Brennstoff- element mit einer erfindungsgemässen Ionenaustauschermembran und zeigt vereinfacht die in der Zelle ablaufenden Reaktionen für Wasserstoff als Brennstoff. Fig. 6 zeigt diesen Vorgang bei Verwendung von
Ameisensäure als Brennstoff.
In den Fig. 1-6 bedeuten la-If den Katalysator der Brennstoffelektrode, 2a - 2f den Katalysator der Sauerstoffelektrode, K die Kationen-, A die Anionenaustauschermembran und V den Verbraucher elektrischer Energie.
Eine der möglichen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Brennstoffelementes zeigt schematisiert die Fig. 7. Hierin bedeuten K die Kationen-, A die Anionenaustauschermembran, 1 den Katalysator der Brennstoffelektrode, z. B. kömiges oder pulverförmiges, katalytisch aktives Platin oder Palladium.
2 den Katalysator der Elektrode für das oxydierende Gas, z. B. katalytisch aktives Silber oder Platin, 3 die Elektronenzu- bzw. -abführung, 4 metallisch leitende Siebe oder Fritten, die den Katalysator in seiner Lage halten. 5 ist das Gehäuse des Brennstoffelementes, in dem sich die Räume für den Brennstoff 6, mit der Zuleitung 6a, und 7 für das oxydierende Gas, mit der Zuleitung'Ta, befinden. 8 und 9 sind zur Erzielung gleichen Druckes miteinander gekoppelte Reduzierventile.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Berührungsfläche zwischen Elektrodensubstanz und Ionenaustauschermembran möglichst gross ist. Zu diesem Zweck kann man Elektrodensubstanz und Membran wei- testgehend miteinander verzahnen, indem man beispielsweise das Elektrodenmaterial in feinstverteilter Form bis zu einer gewissen Tiefe, die etwa 1/2 Membrandicke betragen kann, in das Porensystem der der jeweiligen Elektrode anliegenden Membran derartig einlagert, dass die einzelnen Teilchen miteinander in elektrischem Kontakt stehen.
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